CN111623871A - 利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置 - Google Patents

利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN111623871A
CN111623871A CN202010667308.7A CN202010667308A CN111623871A CN 111623871 A CN111623871 A CN 111623871A CN 202010667308 A CN202010667308 A CN 202010667308A CN 111623871 A CN111623871 A CN 111623871A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
nanoparticles
light field
glass slide
detected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010667308.7A
Other languages
English (en)
Inventor
高晓文
傅振海
李翠红
陈杏藩
胡慧珠
刘承
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU, Zhejiang Lab filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202010667308.7A priority Critical patent/CN111623871A/zh
Publication of CN111623871A publication Critical patent/CN111623871A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • G01J2001/4261—Scan through beam in order to obtain a cross-sectional profile of the beam

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置。通过在载玻片上放置纳米微粒，并将载玻片放置于待测光场中，当光场入射到纳米微粒时会发生瑞利散射，其散射光光强与微粒所在位置处的待测光场的光强成正比，利用光电探测器收集纳米微粒的散射光信号，同时通过移动载玻片来实现纳米微粒的移动，记录在不同位置处纳米微粒的散射光光强，即可实现对待测光场的相对光强分布扫描。本发明提供一种新的光场相对强度测量手段，并提供更高的测量精度，易于应用实施。

Description

利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置。
背景技术
激光技术的应用十分广泛，其中激光的光场参数，如光场大小，光场强度分布是其核心指标。激光光场参数的测量方法主要有小孔法，刀口法和CCD传感器法等。小孔法和刀口法的测量精度一般在毫米和微米量级，且主要针对高斯型光场的尺寸测量。随着CCD技术的发展，利用CCD传感器进行可见光和近红外激光光场的光强分布测量，通过选用高性能高分辨率CCD，分辨精度可达微米量级。但是更小尺度下的光场测量，如纳米级精度的分辨率，上述方案都无法实现。比如：小孔法和刀口法的测量精度一般在毫米和微米量级，且主要针对高斯型光场的尺寸测量；CCD传感器法：利用CCD传感器直接对可见光和近红外激光光束的光强分布进行测量，通过选用高性能高分辨率CCD，分辨精度可达微米量级。但是更小尺度下的光场测量，如纳米级精度的分辨率，无法实现。
发明内容
为了克服现有技术的不足，比如针对小孔法和刀口法分辨率不高以及被测光场必须为近高斯型的问题，针对CCD传感器方法分辨率不高的问题，本发明提供一种利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置。
一种利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法，在载玻片上放置纳米微粒，将载玻片放置于待测光场中，纳米微粒发生瑞利散射，利用光电探测器收集纳米微粒的散射光信号，通过移动载玻片来实现纳米微粒的移动，利用光电探测器记录在不同位置处纳米微粒的散射光光强，根据散射光光强与微粒所在位置处的光强成正比从而获取待测光场中相对光强的分布情况。
所述的方法，测量步骤如下：
1）利用激光观察卡确定待测光场的大致区域，利用三维微位移台加持载玻片，将载玻片移动至第一初始位置，记录该位置下侧面光探测器的输出值为B11，控制三维微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B12、B13、B14…B1n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第一初始位置；
2）控制三维微位移台在垂直方向向下移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，记为第二初始位置，记录该位置下侧面光探测器的输出值为B21，控制微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B22、B23、B24…B2n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第二初始位置；
3）重复上述步骤2），完成对待测光场的扫描；
4）对归一化的探测器输出值进行处理并在三维坐标内做图，得到待测光场的相对光强分布扫描图，其中x轴和y轴为位置参数，z轴为光场相对强度。
一种采用所述的方法的装置，包括激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第一反射镜、第一反射镜、聚焦透镜、载玻片、三维微位移台、光电探测器、上位机和纳米微粒；
所述的激光器出射捕获激光，经过第一准直透镜和第二准直透镜进行扩束准直，依次经过第一反射镜、第二反射镜和聚焦透镜成为待测光场A，入射到载玻片上，经载玻片上的纳米微粒散射待测光场A，其散射光束B被光电探测器收集，并由上位机进行数据处理；利用三维微位移台夹持载玻片，三维微位移台的位移精度为nm级，通过调节截平面上的位移量来控制载玻片的移动，实现对激光光场的截面扫描。
所述的纳米微粒为光学均匀介质球，半径尺寸为从几十纳米到几百纳米，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。
所述的光电探测器收集纳米微粒的散射光，其散射角度选择0°~180°。
所述的光电探测器采用CCD、CMOS光强计、光功率计或者亮度计。
本发明的有益效果：
原位测量，无需探测并解算微粒的运动信息和真空设备，适用于空气和液体环境。本发明采用光学非接触式的方法获取光阱中捕获微粒的信息；可拓展光阱技术的应用，用于单分散纳米颗粒的粒径测量。
附图说明
图1为本发明装置的一种结构示意图；
图2为纳米微粒放置于载玻片的示意图；
图3为归一化的光场相对强度分布示意图；
图中，激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一反射镜4、第一反射镜5、聚焦透镜6、载玻片7、三维微位移台8、光电探测器9、上位机10和纳米微粒11。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
本发明公开了一种利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布方法。当激光光束打到微粒上时，如果微粒尺寸远小于光波长，微粒会发生瑞利散射，散射光的光强为：
Figure 35458DEST_PATH_IMAGE001
其中IA为微粒所在位置处的光强，θ为散射角度，即光电探测器观测方向与光束传播方向之间的夹角，d为光电探测器与微粒之间的距离，λ为光波长，n为微粒与环境介质之间的相对折射率，r为微粒的半径。通过上式可知，散射光光强与微粒所在位置处的光强成正比。
因此，通过在载玻片上吸附纳米微粒，并将载玻片放置于待测光场中，通过微位移台移动载玻片来实现微粒的移动，利用光电探测器收集微粒的散射光信号，记录不同位置处微粒的散射光光强，经过一次空间的扫描，即可获取待测光场中相对光强的分布情况。
通过选用nm级别的微粒，近红外波段的激光即可满足瑞利散射条件，同时该方案的空间分辨率由微位移台的移动精度决定，成熟的商用nm精度位移台容易获取，因此本方案可以实现nm级精度的光场相对强度分布测量。
如图1所示，本发明一种利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的装置，包括激光器1、第一准直透镜2、第二准直透镜3、第一反射镜4、第一反射镜5、聚焦透镜6、载玻片7、微位移台8、光电探测器9、上位机10和纳米微粒11。
所述的激光器1出射捕获激光，经过第一准直透镜2和第二准直透镜3进行扩束准直，依次经过第一反射镜4、第二反射镜5和聚焦透镜6成为待测光场A，入射到载玻片7上，经载玻片上的纳米微粒11散射待测光场A，其散射光束B被光电探测器9收集，并由上位机10进行数据处理。
载玻片7上吸附的纳米微粒11为光学均匀介质球，微粒的半径尺寸为从几十纳米到几百纳米，微粒形状为球形，材料是聚苯乙烯或二氧化硅，载玻片上吸附的纳米微粒数量为1个。
光电探测器9收集纳米微粒11的散射光，其散射角度可以选择0°~180°，其中，散射角度为0℃时对应于前向散射光，散射角度为90℃时对应于正侧向散射光，散射角度为180℃时对应于后（背）向散射光；通常采用侧向散射光，相比于前向散射光可以排除光场自身的干扰，相比于后向散射光，探测结构更加简单。
光电探测器9可以是CCD或CMOS，也可以是光强计、光功率计、亮度计，只要探测器能获得与光强直接相关的物理量即可，该物理量可以为光强、光功率和亮度等，记该物理量为B，记光强为I，则应满足B∝I。
利用三维微位移台夹持载玻片，三维微位移台的位移精度为nm级，通过调节截平面上的位移量来控制载玻片的移动，实现对激光光场的截面扫描。
所述的待测光场的光波长在近红外波段，纳米微粒11的尺寸范围从几十纳米到几百纳米，纳米微粒尺寸远小于光波长，纳米微粒发生瑞利散射，散射光光强与纳米微粒所在位置处的光强IA成正比。
该测量方法的测量步骤如下：
（1）利用激光观察卡确定待测光场的大致分布，利用三维微位移台加持载玻片，将载玻片移动至第一初始位置，记录该位置下侧面光探测器的输出值为B11，控制微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B12、B13、B14…B1n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第一初始位置；
（2）控制微位移台在垂直方向向下移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，记为第二初始位置，记录该位置下侧面光探测器的输出值为B21，控制微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B22、B23、B24…B2n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第二初始位置；
（3）重复上述步骤2，完成对待测光场的扫描；
（4）对归一化的探测器输出值进行处理并在三维坐标内做图，可得到待测光场的相对光强分布扫描图，其中x轴和y轴为位置参数，z轴为光场相对强度。
应用实施例
激光器1可采用1064nm单模激光器，实施过程中激光器输出稳定，即捕获光束A的光功率一直保持稳定。
纳米微粒11选用标称直径为100nm的二氧化硅微球标准样品，其粒径标准偏差小于5nm，将其放置于在载玻片7上，如图1、2所示。
光电探测器9可选用近红外光强计，与纳米微粒11相距10mm，测量选45°散射角度处的散射光强。
实施步骤：
（1）打开1064nm激光器，使待测光场A正入射到载玻片上并形成稳定光路，用激光观察卡确定待测光场的大致分布，利用三维微位移台加持载玻片，将纳米微粒移出光场区域，即为初始位置1；
（2）打开光强计，测量记录该位置下散射光强值B11，作为背景光强；
（3）控制微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B12、B13、B14…B1n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第一初始位置；
（4）控制微位移台在垂直方向向下移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，记为第二初始位置，记录该位置下侧面光探测器的输出值为B21，控制微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B22、B23、B24…B2n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第二初始位置；
（5）重复上述步骤，直至完成对待测光场的扫描；
（6）以背景光强值B11对探测器输出数据做归一化，并在三维坐标内做图， x轴和y轴为位置参数，z轴为光场相对强度，可得到待测平面内的光场的相对光强分布扫描图如图3所示。
最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围当中。

Claims (6)

1.一种利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法，其特征在于，在载玻片上放置纳米微粒，将载玻片放置于待测光场中，纳米微粒发生瑞利散射，利用光电探测器收集纳米微粒的散射光信号，通过移动载玻片来实现纳米微粒的移动，利用光电探测器记录在不同位置处纳米微粒的散射光光强，根据散射光光强与微粒所在位置处的光强成正比从而获取待测光场中相对光强的分布情况。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量步骤如下：
1）利用激光观察卡确定待测光场的大致区域，利用三维微位移台加持载玻片，将载玻片移动至第一初始位置，记录该位置下侧面光探测器的输出值为B11，控制三维微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B12、B13、B14…B1n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第一初始位置；
2）控制三维微位移台在垂直方向向下移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，记为第二初始位置，记录该位置下侧面光探测器的输出值为B21，控制微位移台在水平方向上移动，移动间隔为纳米微粒尺寸值，移动次数为n，直到纳米微粒移出待测光场区域，并依次记录不同位置下侧面光探测器的输出值为B22、B23、B24…B2n，扫描完成后，控制微位移台恢复到第二初始位置；
3）重复上述步骤2），完成对待测光场的扫描；
4）对归一化的探测器输出值进行处理并在三维坐标内做图，得到待测光场的相对光强分布扫描图，其中x轴和y轴为位置参数，z轴为光场相对强度。
3.一种采用如权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，包括激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第一反射镜、第一反射镜、聚焦透镜、载玻片、三维微位移台、光电探测器、上位机和纳米微粒；
所述的激光器出射捕获激光，经过第一准直透镜和第二准直透镜进行扩束准直，依次经过第一反射镜、第二反射镜和聚焦透镜成为待测光场A，入射到载玻片上，经载玻片上的纳米微粒散射待测光场A，其散射光束B被光电探测器收集，并由上位机进行数据处理；利用三维微位移台夹持载玻片，三维微位移台的位移精度为nm级，通过调节截平面上的位移量来控制载玻片的移动，实现对激光光场的截面扫描。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的纳米微粒为光学均匀介质球，半径尺寸为从几十纳米到几百纳米，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的光电探测器收集纳米微粒的散射光，其散射角度选择0°~180°。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的光电探测器采用CCD、CMOS光强计、光功率计或者亮度计。
CN202010667308.7A 2020-07-13 2020-07-13 利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置 Pending CN111623871A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010667308.7A CN111623871A (zh) 2020-07-13 2020-07-13 利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010667308.7A CN111623871A (zh) 2020-07-13 2020-07-13 利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111623871A true CN111623871A (zh) 2020-09-04

Family

ID=72271504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010667308.7A Pending CN111623871A (zh) 2020-07-13 2020-07-13 利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111623871A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112179893A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 华中科技大学 基于速度影像的纳米颗粒表面等离激元场分布探测方法
CN112658982A (zh) * 2020-12-16 2021-04-16 西安奕斯伟硅片技术有限公司 抛光液供给装置
CN114414043A (zh) * 2021-12-23 2022-04-29 之江实验室 一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的装置及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018047547A1 (ja) * 2016-09-12 2018-03-15 サイエンスエッジ株式会社 測定装置、顕微鏡、及び測定方法
CN210242983U (zh) * 2019-05-09 2020-04-03 深圳大学 光场强度检测系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018047547A1 (ja) * 2016-09-12 2018-03-15 サイエンスエッジ株式会社 測定装置、顕微鏡、及び測定方法
CN210242983U (zh) * 2019-05-09 2020-04-03 深圳大学 光场强度检测系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
THOMAS BAUER 等: "《Nanointerferometric amplitude and phase reconstruction of tightly focused vector beams》", 《NATURE PHOTONICS》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112179893A (zh) * 2020-09-29 2021-01-05 华中科技大学 基于速度影像的纳米颗粒表面等离激元场分布探测方法
CN112658982A (zh) * 2020-12-16 2021-04-16 西安奕斯伟硅片技术有限公司 抛光液供给装置
CN112658982B (zh) * 2020-12-16 2022-12-09 西安奕斯伟材料科技有限公司 抛光液供给装置
CN114414043A (zh) * 2021-12-23 2022-04-29 之江实验室 一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111623871A (zh) 利用纳米微粒测量激光光场相对强度分布的方法和装置
CN111551250B (zh) 一种测量光场分布的方法及装置
JP6918931B2 (ja) 半導体ウエハ検査のための欠陥マーキング
CN111562200A (zh) 一种标定光阱中微粒数量、尺寸的方法及装置
CN108333145B (zh) 一种icf靶丸的检测新装置及定位方法
CN105067528B (zh) 二维共焦显微非线性强度扫描系统和测量方法
CN206618658U (zh) 一种颗粒快速检测装置
CN104567674A (zh) 双边拟合共焦测量方法
CN106680159A (zh) 基于动态光散射样本系综分析的颗粒快速检测方法及系统
CN109269980A (zh) 一种基于单光镊介质微球高分辨率光学检测方法
CN102507987A (zh) 一种集成光纤探针型近场光镊与afm测量近场光阱力的方法
CN101603813B (zh) 一种光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置
CN109884020A (zh) 利用共聚焦激光扫描显微系统对微纳米级介质波导或台阶型结构侧壁角的无损测量方法
CN113899306A (zh) 基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法
JP3596479B2 (ja) 光散乱法による表面の複合評価システム
CN102053047A (zh) 可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法
JP5172011B2 (ja) 変位測定装置及び変位測定方法
CN114414043A (zh) 一种基于光镊与电场力测量光场强度分布的装置及方法
CN113639663B (zh) 一种基于反射激光空间分布的物体三维形貌测量方法
CN110108604A (zh) 基于显微放大和视角传感的高空微粒辨识装置及方法
CN113465534B (zh) 一种基于白光干涉的微纳深沟槽结构快速测量方法
CN113624168B (zh) 基于小角x射线散射技术的关键尺寸测量系统及测量方法
TW200902934A (en) Automated process control using optical metrology with a photonic nanojet
Liang et al. Experimental extraction of rough surface parameters from speckles in the deep Fresnel region with a scanning fibre-optic probe
CN201429409Y (zh) 光学驻波纳米颗粒尺寸测量装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200904

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication